1. Wprowadzenie
Ograniczenia poziomu zawartości substancji tok- sycznych emitowanych przez silniki spalinowe powo- duje, że coraz większego znaczenia nabiera ekologicz- ny aspekt eksploatacji pojazdów i maszyn samobież- nych, w tym szczególnie obiektów znajdujących się na obszarach wiejskich. Od dłuższego czasu niebez- piecznie wzrasta zanieczyszczenie środowiska, co po- woduje bardziej zdecydowane podejście do źródeł tych zanieczyszczeń. Konieczność spełnienia coraz ostrzej- szych wymagań dotyczących ekologii środowiska zmusza z jednej strony do poszukiwania nowych roz- wiązań konstrukcyjnych, a z drugiej do poszukiwań nowych źródeł energii które ograniczają emisję szko- dliwych substancji.
Jednym z elementów może być wykorzystanie bio- paliw do zasilania silników jako biokomponentów pa- liw konwencjonalnych zmniejszających zagrożenie dla
Wiesław PIEKARSKI Grzegorz ZAJĄC
ANALIZA DOBORU MIESZANEK PALIWOWYCH BIOPALIWA I OLEJU NAPĘDOWEGO
W ASPEKCIE EMISJI SPALIN
AN ANALYSIS OF THE SELECTION OF BIOFUEL AND ENGINE OIL MIXTURES IN VIEW
OF EXHAUST FUMES EMISSION
W artykule przedstawiono wyniki badań toksyczności spalin silnika S-4002 zasilanego mie- szakami oleju napędowego i estru metylowego oleju rzepakowego. Celem pracy było określe- nie składu mieszanek pod względem toksyczności spalin.
Słowa kluczowe: paliwa silnikowe, biopaliwa, spaliny, emisja substancji toksycznych The paper presents results of research on the toxicity of fumes from an S-4002 engine driven by mixtures of engine oil and methyl ester of rape oil. It has aimed at the determination of mixture contents in view of the fumes toxicity.
Keywords: fuels, biofuels blends, exhaust emissions
środowiska przyrodniczego, tak w ujęciu globalnym jak w miejscu pracy pojazdu. Na ekologiczne zastoso- wanie biopaliwa nakładają się czynniki gospodarcze związane z wzrostem cen ropy naftowej, a co za tym idzie paliw ropopochodnych, jak i poszukiwań ryn- ków zbytu dla produktów rolniczych. Polityka rolna zarówno w Unii Europejskiej jak i w Polsce zmierza do wykorzystania nie przeznaczonych do konsumpcji nadwyżek tłuszczów roślinnych jako biopaliw.
2. Analiza możliwości wykorzystania biopa- liw i mieszanek paliwowych w silnikach spalinowych
Możliwość zastosowania OR do napędu swoich silników wykazał już Robert Diesel w patencie z 1892 r.
Od tego momentu datować można zainteresowanie zastosowaniem ciężkich olejów roślinnych do zasila-
nia silników wysokoprężnych. Jednak olej rzepakowy sprawia pewne trudności w bezpośrednim zastoso- waniu, wynika to z kilku istotnych cech różniących go od oleju napędowego, do których należą miedzy inny- mi lepkość, lotność, liczba cetanowa. Badania wyka- zują, że zastosowanie OR powoduje zazwyczaj two- rzenie się osadów sadzy wokół otworów wtryskowych rozpylaczy, zmieniając ich charakterystykę. Dlatego olej rzepakowy poddawany jest chemicznej modyfika- cji, polegającej na wymianie chemicznie związanej gli- ceryny na dodany alkohol metylowy lub etylowy w obecności katalizatora w wyniku czego powstaje es- ter metylowy (EM) oraz gliceryna:
olej rzepakowy + metanol + katalizator → ester metylowy + gliceryna + mydła i inne W okresie ostatnich kilkunastu lat wytwarzanie paliwa z rzepaku według różnych technologii i skali produkcji, stało się w Europie dość powszechne. Pierw- szym krajem europejskim, który rozpoczął program badawczy była Austria. W Europie opracowano po- nad 130 projektów celowych związanych z paliwem rzepakowym, obejmujących próby na kilku tysiącach pojazdów, a także taborze rzecznym i portowym. Obec- nie wiele krajów stosuje już paliwa pochodzenia ro- ślinnego na szeroką skalę, szczególnie Francja, Au- stria, Włochy, Niemcy, USA, Czechy, Słowacja, Szwajcaria, Belgia, Szwecja [1].
Biopaliwo można stosować jako odrębny gatunek paliwa bądź jako mieszankę oleju napedowrgo i okre- ślonej ilości biopaliwa, w obu przypadkach możliwe jest zasilanie silników spalinowych bez konieczności ich modyfikacji. W porównaniu do oleju napędowego umożliwia on uzyskanie podobnej sprawności i po- dobnych parametrów pracy w zakresie mocy i momen- tu. Musimy się jednak liczyć w przypadku stosowania mieszanek lub czystego RME z niewielkim kilkupro- centowym spadkiem mocy. Jest to związane z mniejszą wartością opałową RME, mimo większej gęstości pali- wa roślinnego (większy wydatek pompy wtryskowej).
Przy stosowaniu mieszanek daje się zauważyć tenden- cję wzrostową godzinowego Gp i jednostkowego ge zużycia paliwa. Łączy się to zarówno z obniżeniem war- tości opałowej paliwa, jak i wpływem większej lepko- ści paliwa RME na pogorszenie procesów wytwarza- nia mieszaniny palnej i spalania [6].
Biopaliwo ze względu na budowę chemiczną cechuje się bardzo dobrymi własnościami smarnościowymi.
Właściwości te są dużo lepsze niż w przypadku nisko- siarkowych olejów napędowych. Dodatek kilku procent RME poprawia znacząco własności smarne paliwa.
Stosowanie biopaliwa w silnikach stwarza jednak przy eksploatacji pewne problemy związane z jego negatywnym oddziaływaniem na elastomery. Silniki
z uszczelniaczami niekompatybilnymi z RME mogą szybciej się uszkadzać, dotyczy to jednakże tylko star- szych silników. Innym zagadaniem jest skłonność RME do rozpuszczania osadów i zanieczyszczeń, estryfikat jest lepszym rozpuszczalnikiem niż ON. Osady rozpusz- czone przez RME mogą spowodować zatykanie wkła- dów filtracyjnych. Oba te zjawiska w dużym stopniu będą zależne od rodzaju paliwa, a w przypadku stoso- wania mieszanek o niewielkim udziale RME mogą one nawet nie występować.
Wykorzystanie biopaliwa wpływa również na po- ziom emisji spalin. Silniki zasilane mieszkami bądź czy- stym RME cechują się mniejszą emisją CO, HC oraz niższym zadymieniem spalin. Jednak ze względu na wyższą temperaturę spalania charakteryzują się wy- ższą emisją NOx. Jednakże odpowiedni dobór miesza- nek RME/ON może wpłynąć na znaczną ogólną po- prawę parametrów ekologicznych [2].
3. Badania eksperymentalne
Badania przeprowadzono na stanowisku dynamo- metrycznym wyposażonym w silnik S-4002, pomiary obejmowały czyste paliwa ON i RME oraz ich miesza- niny. Podczas badań ocenie poddano parametry ener- getyczno-ekologiczne silnika ciągnikowego ze szcze- gólnym zwróceniem uwagi na toksyczność i zadymie- nie spalin. Z zakresu parametrów energetycznych sil- nika wybrano następującą wielkość: moc N = f(n), na- tomiast z zakresu parametrów ekologicznych HC, NOx i zadymienie spalin B.
Wyniki uzyskano z badań przeprowadzonych na charakterystykach obciążeniowych odpowiadających prędkości momentu maksymalnego (1600 obr/min) i mocy maksymalnej (2000 obr/min), przy zasilaniu stan- dardowym olejem napędowym i biokomponentem oraz mieszankami tych paliw. Do badań użyto następują- cych rodzajów paliw: paliwa wzorcowego – oleju na- pędowego IZ-35, czystego estru oleju rzepakowego RME, mieszanki 20% RME i 80% ON; mieszanki 40%
RME i 60% ON, mieszanki 60% RME i 40% ON, oraz mieszanki 80% RME i 20% ON. Podczas badań ekspe- rymentalnych silnik zasilano wyżej wymienionymi ro- dzajami paliw, nie dokonywano zmian nastaw regula- cyjnych w stosunku do fabrycznych.
Przebieg zmian koncentracji toksycznych składni- ków spalin, w postaci histogramu przy prędkości 1600 obr/min przedstawiono na rys. 1. Przy wzroście udziału paliwa RME w mieszance w początkowej fazie koncentracja HC wyraźnie spada, natomiast NOx wy- raźnie rośnie. Z chwilą przekroczenia 20% RME w mie- szance tendencja jest odwrotna: HCma tendencję wzro- stową, a NOx spadkową. Stopień zadymienia spalin B uzyskuje tylko wyższą wartość dla mieszaniny 20%
RME i 80% ON, natomiast w pozostałych wyraźnie spada, uzyskując najniższe wartości przy czystym RME.
Prezentowane na rys. 2 wyniki w postaci krzywych dotyczą analizy zależności zmian parametrów pracy i poziomu emisji zanieczyszczeń w funkcji rozwijanej mocy przez silnik dla pięciu rodzajów paliw, przy cha- rakterystyce obciążeniowej odpowiadającej prędko- ści obrotowej Momax (1600 obr/min). Z rys 2 b i c wyni- ka że przebieg NOx i zadymienia B ma tendencję wzrostową, zaś koncetracja HC zmniejsza się w funkcji mocy. Na obu rysunkach widzimy bardzo korzystny przebieg dla paliwa 40% ON i 60% RME.
Generalnie rzecz biorąc stosowanie paliw odnawial- nych jest pożądane. Jak wynika z rys. 1, prowadzi to do znacznego obniżenia emisji tlenków węgla i suma- rycznej ilości węglowodorów oraz dwutlenku węgla, przy nieznacznym wzroście emisji tlenku azotu.
Wyniki badań w postaci histogramu dotyczące tok- syczności spalin sporządzone na charakterystyce ob- ciążeniowej przy Ne max (2000 obr/min), zostały przed- stawione na rys. 3. Jak wynika z rys. 3 emisja nie spalonych węglowodorów HC i zadymienie spalin, zmniejsza się w miarę zwiększania RME w mieszance.
Diametralnie przeciwną tendencję wykazują tlenki azo- tu NOx – gdzie widoczny jest wzrost ich zawartości w spalinach.
Analizując poziom emisji spalin HC, NOx, oraz za- dymienia B, które zostały przedstawione na rys. 4 (cha- rakterystyka obciążeniowa przy Nemax = 2000 obr/min) należy stwierdzić, że przy wyższych prędkościach ob- rotowych na charakterystyce obciążeniowej większe jest zadymienie B (rys. 4c). Podobnie poziom emisji HC (rys. 4a) dla prędkości obrotowej 2000 obr/min jest znacznie wyższy niż dla 1600 obr/min. Natomiast po- ziom emisji NOx (rys. 4b) wykazuje dla obu prędkości zbliżone przebiegi, jak i zbliżone wartości.
Podsumowując wyniki badań należy stwierdzić, że stosowanie paliw odnawialnych jest pożądane. Jak wy- nika z rys. 1 i 3, prowadzi to do znacznego obniżenia emisji cząstek stałych i sadzy, jak i sumarycznej ilości węglowodorów przy nieznacznym wzroście emisji tlen- ku azotu.
Równania regresji opisujące zmienność poziomu emisji spalin (B, HC, NOx) w funkcji rozwijanej mocy Ne zostały przedstawione w tab. 1. W tabeli ponadto zamieszczono współczynnik R2, określający miarę praw- dopodobieństwa wyznaczania podanych wartości zmiennych oraz wartość testu F.
Rys. 1. Zależność zmian toksyczności spalin od składu mieszanki paliwowej RME/ON (1600 obr/min) Fig. 1. Dependence of fumes toxicity change on the content of RME/ON fuel mixture (1600 rpm)
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0/100 20/80 40/60 60/40 80/20 100/0
Mieszanka paliwowa RME/ON NOx•10-1
HC [ppm]
0 5 10 15 20 25 30
B [°]
HC NOx B
Rys. 3. Zmiana toksyczności spalin w zależności od składu mieszanki paliwowej RME/ON z badań przy prędkości obrotowej mocy maksymalnej (2000 obr/min)
Fig. 3. Change of fumes toxicity depending on the content of the fuel mixture RME/ON from tests at the maximum power rotation speed (2000 rpm)
Rys. 2. Zależność zmienności wskaźników pracy i składu spalin dla czterech wariantów paliwa ekologicznego, sporządzonych na charakterystyce obciążeniowej przy n = 1600 obr/min: a) HC – węglowodory, b) NOx -tlenki azotu, c) B – stopień zadymienia spalin
Fig. 2. Dependence of changeability of work indices and fumes contents for four variants of ecological fuel, prepared on the loading characteristics at n = 1600 rpm: a) HC – hydrocarbons, b) NOx - nitric oxides, c) B – degree of fume smokiness
250 300 350 400 450 500 550 600
0 5 10 15 20 25
Moc ef ektyw na Ne [kW]
Zawartość HC [ppm
100% ON 80% ON 60% ON 40% ON 0% ON
a)
200 700 1200 1700 2200 2700
0 5 10 15 20 25
Moc ef ektyw na Ne [kW]
Zawartość NOx [ppm
100% ON 80% ON 60% ON 40% ON 0% ON
b)
0 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25
Moc ef ektyw na Ne [kW]
Stopień Zadymienia B [oB]
100% ON 80% ON 60% ON 40% ON 0% ON
c)
0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0
0/1 00 20 /80 40 /60 60 /40 80 /20 10 0/0 M ie s z an k a pa liw o w a R M E /O N
N O x•1 0- 1 H C [p p m ]
0 5 10 15 20 25 30 35 B [°]
HC NO x B
Rys. 4. Zależność zmienności wskaźników pracy i składu spalin dla czterech wariantów paliwa ekologicznego, sporządzonych na charakterystyce obciążeniowej przy n = 2000 obr/min: a) HC – węglowodory, b) NOx - tlenki azotu, c) B – stopień zadymienia spalin
Fig. 4. Dependence of changeability of work indices and fumes contents for four variants of ecological fuel, prepared on the loading characteristics at n = 2000 rpm: a) HC – hydrocarbons, b) NOx - nitric oxides, c) B – degree of fume smokiness
3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5
N e [ k W ]
HC [ppm
1 0 0 % O N 6 0 % O N 4 0 % O N 0 % O N
2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5
N e [ k W ] NOx [ppm
1 0 0 % O N 6 0 % O N 4 0 % O N 0 % O N
5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5
N e [k W ]
B [-
1 0 0 % O N 6 0 % O N 4 0 % O N 0 % O N
Równanie regresji Współczynnik
determinacji Zmienna
niezależna Wartość testu Zmienna
zależna
y (dla 1600 obr/min) R2 x Fobl
B y = 2,0674+1,0326⋅x 0,9878 Ne (kW) 649,8 HC. y = 6,368⋅102-4,0589⋅10x+1,2137x2 0,8927 Ne (kW) 473,3 NOx y = -9,1632⋅10+1,0182⋅102x 0,9783 Ne (kW) 361,0
(dla 2000 obr/min)
B y = 1,9992+1,1043⋅x 0,9872 Ne (kW) 618,3 HC y = 5,2546⋅102-3,2837⋅10x+9,9795⋅10-1x2 0,8857 Ne (kW) 491,0 NOx y = -1,1528⋅102+1,1836⋅102x 0,9793 Ne (kW) 378,0 Tab. 1. Równania regresji dla zmiennych zależnych y oraz wartości determinacji R2 i wartość testu F, obliczone na
podstawie wyników badań uzyskanych na charakterystykach obciążeniowych
Tab. 1. Regression equations for dependent variables y as well as determination values R2 and the value of the test F, calculated on the basis of the research results obtained on the loading characteristics.
5. Literatura
[1] Jakubowski A., Piłat K.: Niektóre problemy otrzymywania paliwa silnikowego z oleju rzepakowego. Problemy Inżynierii Rolniczej 2/94.
[2] Lotko W.: Zasilanie silników wysokopręznych paliwami węglowodorowymi i roslinnymi. WNT, Warszawa 1997.
[3] Piekarski W.: Analiza odziaływania agregatów ciagnikowych na środowisko przyrodnicze. Rozprawy naukowe Akademi Rolniczej w Lublinie nr 203. WAR Lublin 1997.
[4] Roszkowski A.: Płynne paliwa roślinne –ocena stanu badań i perspektywy. Problemy Inżynierii Rolniczej 4/98 [5] Roszkowski A.: Biopaliwa z rzepaku a ekologia. Problemy Inżynierii Rolniczej 4/98.
[6] Szlachta Z.: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi. WKŁ Warszawa 2002.
Prof. dr hab. inż. Wiesław Piekarski Mgr inż. Grzegorz Zając
Akademia Rolnicza w Lublinie Katedra Pojazdów i Silników ul. Głęboka 28
20-612 Lublin
gzaja@hortus.ar.lublin.pl 4. Podsumowanie i wnioski
Na podstawie analizy badań eksperymentalnych i przeprowadzonych ogólnych rozważań, można sfor- mułować następujące wnioski:
•
Stosowanie estryfikatu oleju rzepakowego jako biokomponentu do paliw ropopochodnych sto- sowanych do napędu ciągników i maszyn jest pożądane, gdyż prowadzi do znacznego zmniej- szenia emisji toksycznych składników spalin (z wyjątkiem NOx), co potwierdzają wyniki badań.Bardzo istotnym czynnikiem przemawiającym za
możliwością wykorzystania biopaliw jest to, że parametry pracy uzyskane podczas badań są tyl- ko nieznacznie mniejsze o kilka procent w sto- sunku do czystego oleju napędowego.
•
Z badań wynika, że bardzo korzystnym jest sto- sowanie mieszanek paliwowych 60% ON i 40%RME (olej napędowy i estryfikat oleju rzepako- wego), gdyż uzyskiwane parametry pracy są zbli- żone, jak przy stosowaniu czystego oleju napę- dowego, a emisja HC i zadymienie spalin B zna- cznie niższa.
